Biokaasuprosessi -raaka-aineet, aineet, tuottokyky, käsittely, k prosessi Maakunnallinen biokaasuseminaari, Frami,, Seinäjoki 27.3.2007 FM Teija Paavola Jyväskyl skylän n yliopisto Bio- ja ympärist ristötieteiden tieteiden laitos
Sisält ltö Taustaa Yleistä anaerobisesta käsittelystk sittelystä Raaka-aineet aineet Biokaasuntuottopotentiaali Prosessiteknologia Lopputuotteiden hyödynt dyntäminen
EU:n asettamia tavoitteita Tavoitteet v. 2010 mennessä Uusiutuvien energianlähteiden osuuden kaksinkertaistaminen (6 % 12 %) yhteisön n primää äärienergiankulutuksesta Biokaasulla tuotetun energian määm äärä 15 Mtoe Biopolttoaineiden osuus kaikista liikenteen polttoaineista 5,75 %
Tavoitteiden taustalla Kasvihuonekaasupää äästöjen vähentäminen Kotimaisen energiantuotannon edistäminen Energiantuotannon omavaraisuusasteen nostaminen Kestävän kehityksen edistäminen
Biokaasu Muodostuu mikrobien hajottaessa orgaanista ainesta hapettomissa olosuhteissa Tuotantoon voidaan käyttk yttää lähes kaikkea orgaanista ainesta 60-75 % metaania 25-40 % hiilidioksidia muut (rikkivety, ammoniakki, vety, häkä ) Lämpöä,, sähks hköä,, mekaanista energiaa ja liikennepolttoainetta
Anaerobinen hajoaminen Monivaiheinen prosessi, jonka eri vaiheista vastuussa eri mikrobiryhmät Päävaiheet: Hydrolyysi Happokäyminen, asidogeneesi Etikkahaponmuodostus, asetogeneesi Metaanintuotto, metanogeneesi Hajotuksen hitain vaihe määm äärittää koko prosessin etenemisnopeuden
Kiinteä orgaaninen aines Hiilihydraatit Proteiinit Lipidit Hydrolyysi Happokäyminen, asidogeneesi Sokerit Ammoniakki Aminohapot Hajoamisen välituotteet Propionaatti, butyraatti Pitkäketjuiset rasvahapot Etikkahaponmuodostus, asetogeneesi Etikkahappo, asetaatti Vety Asetiklastinen metanogeneesi 70 % 30 % Metaani Hydrogenotrofinen metanogeneesi
Maatilakohtainen biokaasuprosessi Energiakasvit Maatalous lanta kasvimassa Biohajoava jäte teollisuus yhdyskunnat Biokaasu prosessi Biokaasu Jäännös Ravinteet Org.aines Lämpö Lämpö & sähkö Alueverkko Maakaasuverkko Liikennepolttoaine Pelto
Biokaasuprosessin vaiheet Materiaalien vastaanotto ja varastointi Mahdolliset esikäsittelyt sittelyt (murskaus, hygienisointi) Varsinainen reaktorikäsittely Jälkikäsittelyt Jälkikaasuuntumisvarasto (10-15 15 % kokonaiskaasuntuotosta) Neste-kiinte kiinteä -erottelu (fosfori kiinteää ään n ja typpi nestejakeeseen) Lopputuotteen käyttk yttö Biokaasun käsittely k (pesu, kuivaus, puhdistus, paineistus)
Biokaasun raaka-aineet aineet Tilalla syntyvät t materiaalit: Eläintuotannon jätteetj Lannankäsittelyn kasvihuone- kaasupää äästöjen vähentv hentäminen Peltobiomassat Energiakasvit Kasvintuotannon sivutuotteet ja jätteetj Tilan ulkopuolelta tuotavat materiaalit: Yhdyskuntien biojäte Sakokaivo- ja puhdistamolietteet Teollisuuden biohajoavat jätteetj
Eri materiaalien metaanintuottopotentiaali Materiaali Metaanintuottopotentiaali m 3 CH 4 /t-org. ainetta Teurastamojäte te 570 m 3 CH 4 /tonni (märk rkäpaino) 150 Biojäte 500-600 100-150 150 Peltobiomassat 300-500 30-150 Puhdistamoliete 200-400 5-12 Sianlanta 300-400 17-22 Lehmänlanta 100-250 7-14 1 m 3 metaania ~ 1 l kevyttä polttoöljyä ~ 10 kwh
Lisämateriaalin valinta Saatavuus Kilpailukykyinen porttimaksu Lisäenergia Varastoitavuus energian maksimihinnan hyödynt dyntämisajankohtaan Prosessiongelmat Lopputuotteen laatu Levityspinta-alan alan tarve
Yhteiskäsittely sittely (1) Kahden tai useamman materiaalin käsittely k samassa reaktorissa Puhdistamolietemädätt ttämöt Usein ylimitoitettuja Lisämateriaaleja enemmän n biokaasua Maatilakohtaiset biokaasulaitokset Biokaasuntuotanto yksinää ään n lannasta ei välttv lttämättä taloudellisesti kannattavaa Lisämateriaaleja enemmän n biokaasua ja tuloja porttimaksujen kautta
Yhteiskäsittely sittely (2) Lanta on hyvä perusmateriaali yhteiskäsittelyss sittelyssä,, koska Se sisält ltää suurimman osan mikrobien tarvitsemista ravinteista Sillä on korkea puskurikapasiteetti Estää ph:n vaihtelut Sillä on korkea vesipitoisuus Mahdollistaa korkean metaanintuottopotentiaalin omaavien kuivempien materiaalien käsittelyn k sittelyn täyssekoitteisessa prosessissa Sitä on usein saatavilla suuria määm ääriä ja jatkuvasti
Yhteiskäsittelyn sittelyn etuja Vakaa ja varma prosessin toiminta Ravinnekoostumuksen tasapainottuminen Lopputuotteen lannoitevaikutus (ravinnekierto) Korkea ja tasainen biokaasuntuotto ympäri vuoden Hankalien materiaalien käsittely k sittely laimentamalla lannan kanssa
Peltobiomassat Energiakasvit Erityisesti energiantuotantoa varten viljellyt kasvit Kasvintuotannon jätteetj Kotimainen, uusiutuva, kasvihuonekaasuneutraali energiamuoto Maatalouden ylituotanto-ongelmat ongelmat EU:ssa Peltojen vapautuminen energiakasvien viljelyyn
Kasvien metaanintuottoon vaikuttavia tekijöit itä Korjuuajankohta Esikäsittely sittely Riittävä partikkelikoon pienennys Muut käsittelyt: k emäsk skäsittely sittely (lipeä, NaOH), happokäsittely Varastointi Energiasisäll llön n ja ravinteiden mahdollisimman tehokas säilyminen s varastoinnin aikana Ei kuivausta Säilörehuntekoon perustuvat menetelmät Lannoitus, kasvuolosuhteet Jalostustyö
Kasvu- ja kukintavaiheessa korjatun ruokohelven metaanintuottopotentiaali 400 350 Metaanintuotto m 3 CH4/t-VS 300 250 200 150 100 50 V:1st/05 F:1st/05 V:2nd/05 F:2nd/05 V/06 F/06 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 aika (d)
Laskennallisia metaani- ja bruttoenergiansaantoja Kasvi Sato (t ka /ha) Metaanisaanto (m 3 CH 4 /ha) Bruttoenergia- saanto (MWh/ha) Timoteinurmi 8-11 2900-4000 28-38 Ruokohelpi 9-15 3800-4200 37-41 Maa-artisokka artisokka 9-16 3100-5400 30-53 Sokerijuurikas (juurikas+naatit) Sokerijuurikas (pelkät naatit) 13-17 17 5200-6800 50-66 3-5 900-1500 8-14 Hamppu 12-13 13 3200-3500 3500 31-34 34 Olki 2 600 6 1 m 3 metaania ~ 1 l kevyttä polttoöljyä ~ 10 kwh Lähde: Lehtomäki, A. 2006, Paavola, T. 2007
Prosessiteknologia Märkä- vs. kuivaprosessit Termofiilinen vs. mesofiilinen Panostyyppiset vs. jatkuvatoimiset prosessit Yksi- vs. monivaiheiset prosessit
Märkäprosessit Perinteinen biokaasuteknologia Suunniteltu materiaaleille, joilla alhainen kuiva-ainepitoisuus ainepitoisuus (esim. lietteet) Täyssekoitteiset lietereaktorit (CSTR = completely stirred tank reactor) Kuiva-ainepitoisuus ainepitoisuus 10-13 13 % Syött ttö pumpattavissa, reaktorin sisält ltö mekaanisesti sekoitettavissa
Pilot-reaktori, Jyväskylän yliopisto Täyssekoitteinen lietereaktori Kuva: Annimari Lehtomäki
Kuivaprosessit Kuiva-ainepitoisuus ainepitoisuus 20-40 % Usein panosperiaatteella toimivia Vähemmän n energiaa lämmitykseen l ja pumppaukseen Korkeampi metaanintuotto reaktoritilavuutta kohti Pienemmät t reaktorirakenteet Vähemmän n käsiteltyk siteltyä materiaalia
Kuvat: Annimari Lehtomäki
Meso- vs. termofiilinen Termofiilinen prosessi (~55 C) Käsiteltävän n jätteen j nopea hajoaminen Korkeampi kuormitus Pienemmät t reaktorirakenteet Tehokkaampi hygienisoituminen Herkempi lämpl mpötilan ja ph:n muutoksille sekä inhibitiolle Mesofiilinen prosessi (~35 C) Vakaa toiminta Alhaisempi lämmitystarve Lopputuotteen hygienia?
Lopputuotteen laatu (1) Ravinnetasapaino paranee Liukoisen typen osuus kasvaa Ammoniumtyppi suoraan kasvien käytettk ytettävissä Hiili/typpi-suhde laskee Muut lannoitevaikutukseltaan tärket rkeät t aineet talteen eivät t muutu käsittelyn k aikana Kalium, fosfori, kalsium, magnesium, mikroravinteet Maaperän n humuspitoisuus nousee Ei köyhdytk yhdytä maaperää Mineraalilannoitteiden tarve laskee
Lopputuotteen laatu (2) Kuiva-ainepitoisuus ainepitoisuus pienenee ja viskositeetti nousee lopputuote tasalaatuisempaa ja juoksevampaa Materiaalit imeytyvät t maahan nopeammin typen haihtuminen vähenee v ja hajut katoavat nopeasti levityksen jälkeen Käsittely hygienisoi materiaaleja, hajottaa rikkaruohonsiemeniä ja tuholaisia Vähentää lannan fytotoksisten yhdisteiden määm äärää Hajottaa joitakin orgaanisia haitta-aineita, aineita, kuten fenoleita Ammoniakin haihtumispotentiaali suurempi käsittelemättömiin verrattuna Eritystä huomiota varastointiin ja levittämiseen injektointilevitys
Mikrobit anaerobiprosessissa Perinteinen varastointi: Vähenemä n. 1 log 10 (90 %) Salmonella säilyy s ainakin vuoden (5 C) Mesofiilinen käsittely: Keskimää ääräinen vähenemv henemä 2 log 10 (99 %) Salmonella säilyy s useita viikkoja Lannan ja jätteiden j yhteiskäsittely: sittely: hygieniaindikaattorit lopputuotteessa <50 100 000 pmy/g (jäte hygienisoitu, lanta ei) Termofiilinen käsittely: Salmonella spp.. tuhoutuu täysin t (todennäköisesti <6 tunnissa) Indikaattoribakteeripitoisuudet <50 pmy/g Hygienisointi (70 C): Tuhoutuminen alle 10 minuutissa
Biokaasuprosessin etuja Suljettu ja hallittu systeemi Alhaiset ympärist ristöpäästöt Kypsää teknologiaa Metaani arvokasta polttoainetta Energiantuotannon hyötysuhde hyvä Joustava energiantuotantomuoto: Substraatiksi kelpaa lähes l kaikki orgaaninen aines, ei kuivaustarvetta Laitoksia eri kokoluokkiin
Maatalouden biokaasuntuotannon etuja Hajautettua maatilakohtaista energiantuotantoa lähelll hellä tuotantoalueita Kesantomaiden sekä ylituotantona ja vuoroviljelyssä syntyvän n kasvibiomassan hyödynt dyntäminen Monipuolinen tuotantorakenne Työllist llistävä vaikutus Mahdollisuus vähentv hentää maatalouden kasvihuonekaasupää äästöjä
Biokaasupotentiaali Suomessa Jätteiden vuotuinen biokaasupotentiaali 14 TWh vastaa n. 700 000 henkilöauton vuotuista polttoaineen kulutusta Tästä 4 TWh eläinten lannasta, 7 TWh maatalouden kasvijätteist tteistä Energiakasvien biokaasupotentiaali 20-40 MWh/ha, vastaa 1-21 2 henkilöauton vuotuista polttoaineen kulutusta N. 500 000 ha (n. 20 %) nykyisestä peltopinta- alasta voitaisiin ohjata energiantuotantoon Rehuntuotannon toinen sato 50 000 100 000 ha
Biokaasun tuotanto Suomessa v. 2005 Biokaasulaitokset Jätevedenpuhdistamot 15 Keskitetyt jätteenkj tteenkäsittelylaitokset 3 Maatilakohtaiset 6 Teollisuuden jätevesij tevesiä käsittelevät anaerobilaitokset 3 26,5 milj. m 3 biokaasua energiasisält ltö n. 150 GWh Tästä hyödynnettiin energiana 84 % Kaatopaikkakaasun keräys Kaatopaikat 33 118,4 milj. m 3 energiasisält ltö n. 570 GWh Tästä hyödynnettiin energiana 53 %
Biokaasun tuotanto Saksassa Noin 3500 maatilamittakaavan laitosta (v. 2006) 650 MW el, vastaa 1 % kaikesta sähköntuotannosta Noin 80 % laitoksista käyttk yttää energiakasveja Biokaasulla tuotetun sähks hkön n myyntihinta enimmillää ään n 21 eurosenttiä / kwh Tästä 4-66 senttiä saa jos käyttk yttää energiakasveja, 2 senttiä jos käytk ytössä uutta teknologiaa (kuivaprosessit)
Kiitos mielenkiinnosta! teija.paavola@jyu.fi Maa- ja metsätalousministeriö (projekti 1641/501/2004) EU 6 th Framework Programme (Cropgen, project SES6-CT-2004-502824) Jyväskylän yliopisto